Гідродинамічний кавітаційний реактор

Корисна модель належить до пристроїв для створення штучної ультразвукової й гідродинамічної кавітації в рідких середовищах з метою використання виникаючих у них кавітаційних ефектів для інтенсифікації змішування, емульгування, гомогенізації, диспергування, одержання біодизельного палива з рослинних масел й інших фізико-хімічних процесів, а також знезаражування стічних і фекальних вод і одержання теплової енергії. Відомий кавітаційний апарат, описаний у патенті Російської Федерації №2166987 [7МПК 8B01F 7/10, 8B01F 11/02, пріоритет від 10.01.2000 р.] і прийнятий за аналог. Кавітаційний апарат містить робочу камеру, яка є проточною. Ця ознака збігається з суттєвою ознакою заявленої корисної моделі. Кавітаційний апарат містить також установлені в проточній камері на приводному валу ротор і співвісний йому статор, які складаються з дисків, що чергуються між собою. Диски статора закріплені на циліндричній поверхні проточної камери. Перший диск ротора має радіальні лопаті, передня по ходу обертання частина яких виконана у вигляді клина, а задня -паралелепіпеда. Другий диск ротора має радіальні прорізи, третій диск ротора виконаний перфорованим. Два диски статора встановлені між дисками ротора й мають радіальні прорізи. Кавітаційний апарат при обертанні ротора створює в рідині гідродинамічну кавітацію, яка виникає при зміні швидкості руху рідини й гідростатичного тиску в ній при протіканні її між елементами ротора й статора. Крім того, при обертанні ротора відбувається інтенсивне перемішування рідини. Перемішування рідини з одночасним виникненням у ній гідродинамічної кавітації інтенсифікує фізико-хімічні процеси в рідині. Недоліком аналога є складність конструкції, викликана складністю конструкції статора й ротора, наявністю обертового ротора і його приводу. Найбільш близьким до заявленої корисної моделі по технічній суті й технічному результаті, що досягається при його використанні, є гідродинамічний кавітаційний реактор, описаний у патенті України №52136 [7 МПК 8B01F 5/00, пріоритет від 27.02.2002р.] і прийнятий за прототип. Гідродинамічний кавітаційний реактор містить проточну камеру й диск із наскрізними каналами, установлений нерухомо, тобто є статорним диском. Ці ознаки збігаються з суттєвими ознаками заявленої корисної моделі. Особливістю цього гідродинамічного кавітаційного реактора є те, що статорний диск установлений у проточній камері перпендикулярно її осі. Завдяки тому що в гідродинамічному кавітаційному реакторі, прийнятому за прототип, відсутні рухомі деталі, він більш простий у конструктивному виконанні в порівнянні з кавітаційним апаратом, прийнятим за аналог. Однак недоліком цього гідродинамічного кавітаційного реактора є те, що в ньому гідродинамічна кавітація створюється витіканням паралельними струменями рідини через наскрізні отвори в статорному диску. Це не сприяє інтенсифікації фізико-хімічних процесів у рідинах, ефективному знезаражуванню рідин і ефективному їхньому нагріванню. В основу заявленої корисної моделі поставлено задачу створення гідродинамічного кавітаційного реактора, що забезпечує суттєве підвищення ефективності фізико-хімічних процесів у рідинах, ефективності їхнього знезаражування й нагрівання. Зазначений технічний результат досягається тим, що гідродинамічний кавітаційний реактор, що містить проточну камеру й статорний диск із наскрізними отворами, оснащений вихровою камерою з одним або декількома тангенціальними до неї соплами, циліндричною камерою, з'єднаною соосно з вихровою камерою й проточною камерою, і роторним диском з наскрізними отворами й закріпленою на одному його торці крильчаткою з лопатами, при цьому статорний і роторний диски встановлені в циліндричній камері, причому роторний диск установлений прилеглим другим торцем до торця статорного диска з можливістю вільного обертання, а наскрізні отвори роторного диска виконані періодично співпадаючими при його обертанні з наскрізними отворами статорного диска, при цьому роторний диск виконаний з умови часткового перекриття ним при його обертанні наскрізних отворів статорного диска. Між сукупністю ознак заявленої корисної моделі, як вона охарактеризована вище й у незалежному (першому) пункті формули корисної моделі, і одержуваним новим технічним результатом при його використанні існує причинно-наслідковий зв'язок. Виключення із зазначеної нової сукупності ознак хоча б однієї ознаки не забезпечує досягнення нового технічного результату, що полягає в суттєвому підвищенні ефективності фізико-хімічних процесів у рідинах, ефективності їхнього знезаражування й нагрівання. Отже, зазначені ознаки є суттєвими, тому що кожна з них, окремо взята, необхідна, а всі, разом узяті, достатні для того, щоб відрізнити даний об'єкт корисної моделі від всіх інших об'єктів того ж призначення й одержати новий технічний результат при його використанні. В одному окремому варіанті виконання гідродинамічного кавітаційного реактора, охарактеризованому в другому пункті формули корисної моделі, донна поверхня його вихрової камери виконана лійкоподібною опуклою, а протилежна їй поверхня вихрової камери виконана лійкоподібною увігнутою. В другому окремому варіанті виконання гідродинамічного кавітаційного реактора, охарактеризованому в третьому пункті формули корисної моделі, він оснащений виконаним у донній частині вихрової камери інжектором, з'єднаним з ємністю для компонента суміші. Окремі відмітні ознаки, зазначені в залежних пунктах формули корисної моделі, характеризують заявлений гідродинамічний кавітаційний реактор у окремих варіантах його виконання, розвивають і уточнюють ознаки, зазначені в незалежному (першому) пункті формули корисної моделі. Отже, вони є окремими суттєвими відмітними ознаками заявленого гідродинамічного кавітаційного реактора. Ці ознаки в сукупності з суттєвими ознаками корисної моделі, зазначеними в першому пункті формули корисної моделі, забезпечують одержання всіх технічних результатів, які досягаються при використанні корисної моделі, як вона охарактеризовна в незалежному пункті формули, а також окремих технічних результатів, які кількісно збільшують і якісно поліпшують технічний результат, досягнення якого покладено в основу створеної корисної моделі. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де: - на фіг.1 схематично зображений загальний вигляд гідродинамічного кавітаційного реактора; - на фіг.2 - розріз по А-А на фіг. 1; - на фіг.3 - розріз по Б-Б на фіг.2. Гідродинамічний кавітаційний реактор містить проточну камеру 1 (фіг.1; фіг.2), статорний диск 2 з наскрізними отворами 3, вихрову камеру 4 з тангенціальними до неї соплами 5 (фіг.3), циліндричну камеру 6, з'єднану соосно з вихровою камерою 4 і проточною камерою 1, і роторний диск 7 з наскрізними отворами 8 і закріпленою на одному його торці крильчаткою 9 (фіг.2) з лопатками 10 (фіг.3). Статорний диск 2 і роторний диск 7 установлені в циліндричній камері 6. Для зручності ремонту й монтажу статорний диск 2 і роторний диск 7 установлені в знімній обичайці 11, що є частиною циліндричної камери 6. Роторний диск 7 установлений прилеглим другим торцем до торця статорного диска 2 з можливістю вільного обертання в підшипнику 12. Наскрізні отвори 8 роторного диска 7 виконані періодично співпадаючими при його обертанні з наскрізними отворами 3 статорного диска 2. Роторний диск 7 виконаний з умови часткового перекриття ним при його обертанні наскрізних отворів 3 статорного диска 2. Ця умова виконується при: - виконанні роторного диска 7 з кількістю наскрізних отворів 8 не рівним кількості наскрізних отворів 3 у статорному диску 2; - виконанні ширини перемичок 13 (фіг.3) між наскрізними отворами 8 роторного диска 7 меншою діаметра або ширини наскрізних отворів 3 статорного диска 2. Наскрізні отвори 3 статорного диска 2 і наскрізні отвори 8 роторного диска 7 можуть бути виконані круглими, овальними або у вигляді прорізів. У наведеному варіанті конкретного виконання гідродинамічного кавітаційного реактора наскрізні отвори 3 статорного диска 2 виконані співвісними, однакової кількості й однакового діаметра із наскрізними отворами 8 роторного диска 7, при цьому ширина перемичок 13 між наскрізними отворами 8 роторного диска 7 дорівнює ширині перемичок між наскрізними отворами 3 статорного диска 2 і менша діаметрів отворів у дисках. У тих випадках, коли гідродинамічний кавітаційний реактор призначений тільки для знезаражування або нагрівання рідин, він може бути виконаний з одним тангенціальним соплом 5. Порожнина 14 проточної камери 1 може бути сферичною (як у наведеному варіанті виконання гідродинамічного кавітаційного реактора), циліндричною, еліпсоїдальною або мати вигляд будь-якого тіла обертання. Донна поверхня 15 вихрової камери 4 виконана лійкоподібною опуклою, а протилежна їй поверхня 16 вихрової камери 4 виконана лійкоподібною увігнутою. Гідродинамічний кавітаційний реактор оснащений виконаним у донній частині вихрової камери 4 інжектором 17 (фіг.2), з'єднаним з ємністю 18 (фіг.1) для компонента суміші. Інжектор 17 використають у тих випадках, коли в суміш подають компонент у малих кількостях. З тангенціальними соплами 5 (фіг.3) через трубопроводи 19 і вентилі 20 з'єднані насоси 21, які приводяться в дію двигунами 22. Насоси 21 усмоктувальними трубопроводами 23 з'єднані з баками 24 для різних компонентів суміші. Вихідний патрубок 25 проточної камери 1 через трубопровід 26 і вентиль 27 з'єднаний з баком 28 для прийому обробленої рідини або суміші. До донної частини бака 28 приєднаний вентиль 29 зі зливальним патрубком ЗО, призначений для зливання обробленої рідини або суміші. Інжектор 17 з'єднаний з ємністю 18 для компонента суміші через вентиль 31 (фіг.1), що призначений для регулювання кількості компонента суміші, що інжектуєтся. Гідродинамічний кавітаційний реактор працює в такий спосіб. Для приготування суміші залежно від кількості компонентів, які ввійдуть до складу суміші, всі баки 24 або їхня частина й, при необхідності, ємність 18 заповнюють компонентами суміші. Після цього відкривають вентилі 20 і 27 і вентиль 31, якщо використається інжектування компонента суміші, і закривають вентиль 29, включають двигуни 22 і пускають у хід насоси 21. Компоненти суміші насосами 21 через усмоктувальні трубопроводи 23 забираються з баків 24 і через трубопроводи 19 і тангенціальні сопла 5 подаються у вихрову камеру 4. Так як тангенціальні сопла 5 спрямовані тангенціально до вихрової камери 4, у ній виникає обертовий рух компонентів суміші, відбувається змішування компонентів. З вихрової камери 4 суміш надходить у циліндричну камеру 6. Обертання суміші у вихровій камері 4 і в циліндричній камері 6, будучи періодичним процесом, генерує в суміші ультразвукові коливання. Частота ультразвукових коливань у суміші залежить від швидкості руху компонентів суміші в тангенціальних соплах 5, розмірів тангенціальних сопів 5 і діаметрів вихрової камери 4 і циліндричної камери 6. Вибираючи відповідним чином швидкість руху компонентів суміші в тангенціальних соплах 5, розміри цих сопел й діаметри вихрової камери 4 і циліндричної камери 6, створюють такий режим руху суміші, при якому частота ультразвукових коливань у ній досягає 25000-30000 Гц. Під впливом ультразвукових коливань високої частоти в суміші, що рухається у вихровій камері 4 і циліндричній камері 6, виникає інтенсивна ультразвукова кавітація. Обертання суміші у вихровій камері 4 і циліндричній камері 6 і ультразвукова кавітація в суміші сприяють ефективному проведенню фізико-хімічних процесів у суміші. Суміш, що перебуває в циліндричній камері 6, утягує в обертання крильчатку 9, а разом з нею й роторний диск 7. Роторний диск 7 при обертанні періодично частково перекриває наскрізні отвори 3 статорного диска 2. Це викликає пульсацію швидкості руху суміші через наскрізні отвори 3 статорного диска 2, що, у свою чергу, викликає пульсацію швидкості руху суміші в циліндричній камері 6 і гідростатичного тиску в суміші. Такий режим руху суміші викликає в ній гідродинамічну кавітацію. Таким чином, у суміші, що перебуває в циліндричній камері 6, одночасно виникає ультразвукова й гідродинамічна кавітація. Так як сумарна площа поперечних перерізів наскрізних отворів 3 статорного диска 2 значно менше площі поперечного переріза порожнини 14 проточної камери 1, при виході суміші з наскрізних каналів 3 швидкість руху суміші різко падає, що приводить до різкого збільшення гідростатичного тиску в суміші. При цьому виниклі в суміші в процесі кавітації парові пухирці із силою зхлопуються, забезпечуючи при цьому ефективне протікання фізико-хімічних процесів у суміші. Приготовлена суміш із проточної камери 1 через патрубок 25, трубопровід 26 і вентиль 27 надходить у бак 28. Витрату компонентів суміші регулюють вентилями 20 і 31. Після заповнення бака 28 одержаною сумішшю виключають двигуни 22, закривають вентилі 20 і 31, відкривають вентиль 29 і одержану суміш зливають у ємність для її зберігання й наступного використання. Після цього процес приготування суміші повторюють. Так як під дією ультразвукової й гідродинамічної кавітації бактеріальна флора в рідині знищується, гідродинамічний кавітаційний реактор може бути використаний для знезаражування стічних і фекальних вод. Так як під дією ультразвукової й гідродинамічної кавітації рідина інтенсивно нагрівається, гідродинамічний кавітаційний реактор може бути використаний для одержання теплової енергії. Таким чином, у заявленій корисній моделі, як вона охарактеризована в незалежному (першому) пункті формули корисної моделі, у порівнянні із прототипом виникає не тільки гідродинамічна кавітація, але й ультразвукова кавітація й пульсації потоку суміші, що забезпечує суттєве підвищення ефективності фізикохімічних процесів у рідинах і їхніх сумішах, ефективності їхнього знезаражування й нагрівання. У варіанті виконання гідродинамічного кавітаційного реактора по пункті 2 формули корисної моделі, у якому донна поверхня вихрової камери виконана лійкоподібною опуклою, а протилежна їй поверхня вихрової камери виконана лійкоподібною увігнутою, прискорюється процес завихрення суміші у всьому її об'ємі у вихровій і циліндричній камерах, що сприяє інтенсифікації ультразвукової кавітації в суміші за рахунок збільшення частоти ультразвукових коливань у ній, а це додатково інтенсифікує фізико-хімічні процеси в рідинах і їхніх сумішах. У варіанті виконання гідродинамічного кавітаційного реактора по пункті 3 формули корисної моделі, у якому він оснащений виконаним у донній частині вихрової камери інжектором, з'єднаним з ємністю для компонента суміші, за рахунок сил інжекції забезпечується введення в суміш окремого компонента в малих дозах, що забезпечує одержання високоякісних сумішей, до складу яких які-небудь компоненти входять у малих дозах. Розроблено конструкторську документацію, виготовлений і випробуваний дослідний зразок.