Гідродинамічний кавітаційний реактор

Реферат: Гідродинамічний кавітаційний реактор містить проточну камеру і патрубки введення реагентів і виведення готового продукту. Кавітатор являє циліндр, внутрішня поверхня якого складена з n зворотних зрізаних конусів так, що похилі і горизонтальні поверхні утворюють каверни схлопування перед звуженим соплом, яке пов'язує диспергований потік з розсікачем, що має криволінійну поверхню. UA 104811 U (12) UA 104811 U UA 104811 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до гідродинамічної техніки в газорідинний рухах потоків. Відомий винахід (патент РФ № 2325959 2006 р.) відноситься до гідродинамічної техніки для генерації акустичних коливань ультразвукового діапазону в рідкоплинних середовищах, а саме до пристроїв та способів, що перетворюють кінетичну енергію потоку рідини в енергію акустичних коливань, і може бути використаний для інтенсифікації акустичної кавітації при підвищеному гідростатичному тиску, диспергуванні, емульгуванню, отримання гомогенних коштів у хімічній, нафтовій та інших галузях промисловості. Відома "Установка для термічної переробки важких нефтеазотосодержащих фракцій" (патент Ru № 2215775). Пристрій для обробки початкової сировини містить кавітатор у вигляді багатоступінчастого роторно-пульсаційного апарата, а так само генератор і випромінювач електромагнітних коливань у вигляді розміщеної у ємності для вихідної сировини біметалевої антени. Для продуктивного впливу генератора електромагнітних коливань і роторно-пульсаційного апарата на сировину потрібно неприйнятно великі питомі витрати енергії, що обмежує промислове застосування. Відомий кавітаційний реактор (патент Ua № 2029611), який містить проточну камеру з вхідним і вихідним пристроями, встановлений в камері кавітатор, посудину з повітряною подушкою, а також генератор гідроударів. Є клапан надлишкового тиску, приєднаний до проточній камері за кавітаторів. Клапан надлишкового тиску (названий "зворотним") обладнаний як кавітатор. Клапан цей відкривається при гідроударі і пропускає хвилю тиску в напрямку протилежному напрямку робочого потоку. Останні обставини ослаблюють дискретно-імпульсне вплив на оброблювані рідини, оскільки ударна хвиля не спрямовується на кавітатор, а пропускається крізь нього, при цьому демфіруючись газовою подушкою посудини. Таким чином, взаємне розташування елементів зв'язку між ними не оптимальні, а зовнішній привід ударного клапана здорожує конструкцію і знижує його надійність. Винахід (патент Ru № 2075619 1997 р.) належить до рідинних розпилювальних пристроїв ежекційного типу і може бути використаний в енергетиці при спалюванні рідкого палива. Пристрій містить циліндричний корпус з патрубками подач і видалення рідкого палива. У корпусі розміщений ультразвуковий струменевий випромінювач, який виконаний у вигляді двох спіралей Архімеда, лопатки яких мають протилежні напрями і розташовані один між другим. Пристрій додатково забезпечений камерою змінного перерізу, розташованої за струменевим випромінювачем. Відомий газорідинної реактор, що містить циліндричний корпус, всередині якого встановлена роздільна перегородка, закріплені в ній зливні склянки з розміщеними над ними ковпачками, і патрубки для введення сировини і повітря, з встановленими в середній частині корпусу кавітаційно-вихровим апаратом, виконаним у вигляді змішувальної і пінної камер, де змішувальна камера забезпечена патрубком для введення сировини, розташованим по осі змішувальної камери, виконаним у вигляді сопла з кавітаційним кільцем і патрубком для тангенціального підведення повітря і з'єднаного за допомогою звужуючого сопла з пінною камерою (патент СРСР № 1806003). Недоліком цього кавітаційно-вихрового апарата є низька ефективність диспергування сировини в камері змішування, обумовлена тим, що енергія потоку не повністю використовується для диспергування сировини в повітрі. Відомий газорідинної реактор (патент Ru № 2143314), що містить циліндричний корпус із встановленим у середній частині корпусу кавітаційно-вихровим апаратом, виконаним у вигляді змішувальної і пінної камер, сполучених між собою за допомогою звужуючого сопла, при цьому патрубок для подачі повітря встановлено тангенціально, а патрубок для введення сировини розташований по осі змішувальної камери на відстані 2025 мм від звуженого сопла і виконаний у вигляді сопла з кавітатором. Відомий реактор (АС СРСР № 1247074, 1986 р.) для окислення вуглеводнів, що містить вертикальний циліндричний корпус, всередині якого встановлено роздільна перегородка, закріплені в ній зливні стакани і барботажні труби з розміщеними над ними ковпачками і змонтованими в нижній частині соплами, вихідні отвори яких розташовані вище нижньої кромки труби, розподільна тарілка і розпилювач, технологічні штуцери і опори, причому по всій висоті всередині барботажних труб виконані отвори. При цьому перерізу труб має форму зворотного конуса, зливні склянки забезпечені різьбовими муфтами, а розпилювач розташований над розпилювальної тарілкою. Недоліками відомого реактора є низька ефективність змішування, недостатній час контакту фаз. 1 UA 104811 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомий винахід (Авторське свідоцтво СРСР № 1168300) відноситься до генераторів кавітації для диспергування газу (пари) в рідині. Кавітаційні бульбашки з запасом енергії до 100 кка/кг, при умовах, близьких до нормальних, рухаються через рідину до оброблюваної поверхні з мікрошершавістю. Мікрошершавості ініціюють згортання бульбашок пари і вони, віддаючи свою енергію, що перевищує енергію зв'язків в рідині і в кристалічній решітці, еродують розрив суцільності поверхні рідини. Недоліком цього пристрою є відсутність локалізації місця виникнення кавітаційних каверн. Найбільш близьким до винаходу технічним рішенням є гідродинамічний кавітаційний реактор, що містить проточну камеру з встановленими всередині кавітатором і патрубками введення реагуючих компонентів (Авторське свідоцтво СРСР № 467158, 1975 р.) Недоліком реактора є мала ефективність і ступінь диспергування реагентів. Задачею корисної моделі є підвищення ефективність і ступінь диспергування реагентів шляхом інтенсифікації процесів на межі поділу фаз за рахунок кінетичної енергії взаємодії потоку рідини і кумулятивного ефекту схлопування струн. Для досягнення поставленої мети гідродинамічний кавітаційний реактор, що містить проточну камеру і патрубки введення реагентів і виведення готового продукту, згідно винаходу, кавітатор являє собою циліндр, внутрішня поверхня якого складена з n зворотних зрізаних конусів так, що похилі та горизонтальні поверхні конусів утворюють каверни схлопування перед звуженним соплом, яке зв'язує диспергований потік з розсікачем, який має криволінійну поверхню. Крім того, крок між конусами варіюється, а поверхня розсікача виконана з мікрошершавостями. На кресленні зображено схематично гідродинамічний кавітаційний реактор. Реактор містить: патрубок введення рідинного реагенту 1; кришку 2; проточну камеру 3; циліндр 4; зворотні усічені конуси 5; каверни схлопування 6; сопло 7; розсікач 8; роздільну перфоровану перегородку 9, яка служить опорою для розсікачя; дифузор 10; патрубок виведення готового продукту 11; патрубок тангенційного введення газоподібного компонента 12. Гідродинамічний кавітаційний реактор працює наступним чином. Основний технологічний продукт по патрубку введення 1 подається в циліндр 4, де встановлені зворотні усічені конуси 5, які своїми горизонтальними і похилими поверхнями утворюють каверни схлопывания 6. Горизонтальні поверхні усічених конусів виконують роль гальмівного елемента у вигляді кільцевих виступів, при обтіканні яких утворюються n кавітаційних порожнин (каверн). Реагуючий компонент примусово подається в каверни 5 і, потрапляючи до зони змикання їх за рахунок турбулізації перебігу та наявності великої кількості кумулятивних мікрострумин, що утворюються при схлопуванні кавітаційних бульбашок, піддається високому диспергуванню. При цьому утворені конічними поверхнями насадки забезпечують умови появи "вторинної" високошвидкісного струменя сопла 7. На деякій відстані від торцевої поверхні сопла 7, порожниста конусна оболонка струменя рідини зі швидкістю Vo схлопується і утворюється вторинний високошвидкісний струмінь радіуса Ro. У момент змикання потоків робочого середовища швидкість вторинного високошвидкісного струменя V зростає приблизно на порядок відносно швидкості Vo, що випливає з гідродинамічної теорії струменів (Майєр Ст. Ст. Кумулятивный эффект простых опытов. - М.: Наука, 1989). Далі вторинна високошвидкісна струмінь спрямовується на розсікач - 8. Було звернуто увагу на місце зіткнення струменів з плоскою поверхнею та встановлено появу так званих "крил" структури, яка нагадує оперення стріли. Енергетично більш доцільним є здійснення співудару по криволінійній поверхні і досягти високого рівня навігації. Крім того, поверхня розсікача виконана з мікрошершавістю. При зустрічі вторинної високошвидкісний струменя з розсікачем 8, приводить до туманоподібного дрібного распилу рідини на межі розділу фаз (поверхні каверни). Такий розпил (утворення великої кількості дрібних крапель) інтенсифікує масоперенос і прискорює обмінні реакції між рідиною і газом на кордоні каверни. В ділянку великих кількостей дрібних крапель надходить газоподібний компонент по патрубку тангенціального введення 12. Отриманий готовий продукт проходить роздільну перегородку 9, проходить дифузор 10 і виводиться через патрубок 11. Ефективність обмінної здатності на поверхні дрібних крапель посилює ще й ефект Томсона - вплив сил поверхневого натягу і сорбції. Таким чином, позитивний ефект від використання зазначеного гідродинамічного кавітаційного реактора досягається за рахунок впливу наступних факторів: кавітаційної дії впливу і утворення кумулятивних мікрострумин при схлопуванні каверн, розпилювання рідини на межі каверни і, отже, збільшення поверхні контакту реагуючих речовин, вплив сил 2 UA 104811 U поверхневого натягу і сорбції (ефект Томсона). Все це дозволяє на порядок підвищити швидкість хімічного перетворення, збільшити ступінь диспергування і якість змішування реагентів. 5 10 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Гідродинамічний кавітаційний реактор, що містить проточну камеру і патрубки введення реагентів і виведення готового продукту, який відрізняється тим, що кавітатор являє собою циліндр, внутрішня поверхня якого складена з n зворотних зрізаних конусів так, що похилі і горизонтальні поверхні утворюють каверни схлопування перед звуженим соплом, яке пов'язує диспергований потік з розсікачем, що має криволінійну поверхню. 2. Гідродинамічний кавітаційний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що крок між конусами варіюється. 3. Гідродинамічний кавітаційний реактор за п. 1, який відрізняється тим, що поверхня розсікача з мікрошорсткостями. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3