Гідродинамічний кавітаційний реактор

Гідродинамічний кавітаційний реактор, що містить корпус з вхідним і вихідним отворами для 3 26547 Для того, щоб збільшити вихід кінцевого продукту хімічних реакцій, які каталізує кавітація, рідину необхідно інтенсивно перемішувати і проводити обробку її кавітацією декілька разів. З цією метою використовуються пристрої роторного типу, так звані гідродинамічні сирени. Найбільш близьким до пропонованого технічного рішення за технічною суттю і ефектом, який досягається, є гідродинамічний кавітаційний реактор роторного типу [див. Новицкий Б.Г. Применение акустических колебаний в химикотехнологических процессах. - М: Химия, 1983. 192с.]. Реактор містить корпус з вхідним і вихідним отворами для протікання рідини, в якому розташовані спряжені ротор і статор у вигляді дисків. Кожний диск має пази, виконані по колу, і радіальні канавки для протікання рідини, які формують виступи. При цьому профілі виступів ротора і статора мають прямокутну форму. Каві тація виникає в рідині, яка заповнює пази і канавки при обертанні одного диска відносно другого. Для підвищення ефективності роботи кавітаційного реактора (відсотка виходу кінцевого продукту хімічних реакцій) необхідно збільшува ти потужність гідродинамічних коливань, яка залежить від швидкості обтікання рідиною неоднорідних поверхонь дисків. Це досягається шляхом збільшення числа обертів ротора. Відомий реактор генерує кавітаційні потоки в усьому об'ємі рідини, але потужність гідродинамічних коливань в ньому обмежена величиною колової швидкості ротора в 25м/с. При збільшенні швидкості руху рідини відносно твердих поверхонь вище від 25м/с різко (в декілька разів) збільшується кавітаційна ерозія, що призводить до прискореного зносу ротора і статора. Для збільшення відсотка виходу кінцевого продукту хімічних реакцій у кавітаційному реакторі необхідно, з однієї сторони, підвищити колову швидкість ротора до 50м/с, а, з іншої, - максимально знизити кавітаційну ерозію твердих поверхонь. В основу корисної моделі поставлено завдання створення такого гідродинамічного кавітаційного реактора, в якому ідентична форма профілів виступів і пазів ротора і статора у вигляді прямокутної трапеції з кутом нахилу до площини диска 25÷40° і спряження пазів ротора і виступів статора із зазором d£0,2h перетворюють турбулентний потік рідини поблизу похилих поверхонь виступів на ламінарний, в результаті чого знижується кавітаційна ерозія, що дозволяє збільшити колову швидкість ротора до 50м/с. Поставлене завдання досягається наступним чином. У відомому гідродинамічному кавітаційному реакторі, який містить корпус з вхідним і вихідним отворами для рідини, в котрому розташовані ротор і статор у вигляді дисків з виконаними в них радіальними канавками, пазами і виступами, згідно з корисною моделлю, виступи ротора і статора мають ідентичну форму профілю у вигляді прямокутної трапеції з кутом нахилу до площини диска 25÷40°, а пази ротора і виступи статора спряжені з 4 зазором d£0,2h, де h - висота виступу ротора або статора. Використання у пропонованому гідродинамічному кавітаційному реакторі виступів ротора і статора з формою профілю у вигляді прямокутної трапеції з кутом нахилу до площини диска 25÷40° дозволяє зменшити кавітаційну ерозію поверхонь ротора і статора і збільшити колову швидкість ротора до 50м/с, тобто підвищити потужність гідродинамічних коливань. Якщо кут нахилу профілю виступу до площини диска буде меншим від 25°, знижується ефективність генерації гідродинамічних коливань, тобто зменшується потужність гідродинамічних коливань і вихід кінцевих продуктів хімічних реакцій, які каталізуються кавітацією. При збільшенні кута нахилу вище від 40° збільшується кавітаційна ерозія поверхонь ротора і статора. Якщо величина зазору між пазом ротора і виступом статора становитиме d>0,2h, то в зазорі починають формуватися кавітаційні течії і створюються умови для кавітаційної ерозії поблизу поверхонь ротора і статора. На Фіг.1 зображено загальний вигляд гідродинамічного кавітаційного реактора в розрізі; на Фіг.2 - розріз А-А на Фіг.1; на Фіг.3 розріз В-В і розріз СС на Фіг.1. На Фіг.2 і Фіг.3 стрілкою показано напрям обертання ротора. Гідродинамічний кавітаційний реактор містить корпус 1 циліндричної форми, в якому є вхідний 2 і вихідний 3 отвори для протікання рідини. У корпусі 1 розташовані ротор 4 і спряжений з ним статор 5, виконані у вигляді дисків. По колу дисків ротора 4 і статора 5 виконані відповідно пази 6, 7, радіальні канавки 8, 9, які формують виступи 10, 11. Виступи 10 ротора 4 і виступи 11 статора 5 мають ідентичну форму профілю у вигляді прямокутної трапеції з кутом a нахилу до площини диска в 25÷40°. Пази 6 ротора 4 і виступи 11 статора 5 спряжені з зазором d£0,2h, де h - висота виступів 10 і 11 відповідно ротора 4 або статора 5. Гідродинамічний кавітаційний реактор працює наступним чином. Рідина, що обробляється, через вхідний отвір 2 потрапляє в простір між ротором 4 і статором 5. При обертанні ротора в моменти, коли радіальні канавки 8 ротора 4 і радіальні канавки 9 статора 5 суміщаються, відкривається створ для протоку, і порція рідини вільно переміщується в напрямі від центра дисків до периферії. Рідина захоплюється виступами 10 ротора 4 і проштовхується в пази 6 ротора 4 і пази 7 статора 5. Кавітаційна течія при цьому формується за кромкою 14 виступу 10 ротора 4 і перед кромкою 15 виступу 11 статора 5. У тому випадку, коли радіальні канавки 8 ротора 4 перекриваються виступами 11 статора 5, а радіальні канавки 9 статора 5 перекриваються виступами 10 ротора 4, переріз каналу протоку зменшується, рідина змінює напрям течії та починає рухатися в поперечному напрямі в обхід виступів 10 і 11 через зазор d між дисками. За рахунок періодичної зміни напряму течії в просторі між ротором 4 і статором 5 відбувається інтенсивне перемішування рідини, що обробляється. 5 26547 При обертанні ротора 4 рідина натікає на виступи 10 ротора 4 і виступи 11 статора 5 по скосах 12 і 13 відповідно, а відрив течії відбувається з кромки 14 виступу 10 ротора 4 і з кромки 15 виступу 11 статора 5. В результаті відриву рідини від виступів 10 і 11 в ній утворюється розрідження, і відбувається формування кавітаційних течій в просторі за кромкою 14 виступ у 10 і перед кромкою 15 виступ у 11. Струмінь кавітаційних бульбашок, які сформувалися за виступом 10 і перед виступом 11, віджимається до центра пазів 6 і 7 рідиною, що потрапляє в область розрідження, і спрямовується в напрямі наступного виступу. Оскільки виступи 10 ротора 4 і виступи 11 статора 5 мають скоси 12 і 13 з боку натікання рідини на них, кавітаційний струмінь через деякий час після відриву від кромки виступу потрапляє в область, де тиск рідини поступово підвищується. Коли тиск рідини стає вищим за критичний, кавітаційний струмінь швидко згасає, потік з турбулентного стає ламінарним, і кавітаційного руйнування поверхонь реактора не відбувається. Після виходу рідини з простору між дисками вона видаляється з кавітаційного реактора через вихідний отвір 3. Ротор кавітаційного реактора приводиться в рух електродвигуном (на кресленні не показаний). Рідина потрапляє в об'єм реактора через вхідний отвір 2 і видаляється з нього через вихідний отвір 3 обертовим ротором, за принципом відцентрового насосу. Величину зазору між поверхнями дисків було обрано з наступних міркувань. Незважаючи на те, що рідина в кавітаторі протікає в пазах, які мають прямокутний переріз, основна частина кавітаційного струменя зосереджена в центральній частині паза. Тому для якісного оцінювання впливу кавітаційних потоків на тверді поверхні можна застосовувати розрахункові дані для труби круглого перерізу. 6 Під час руху рідини в трубі радіусу R, при значенні числа Рейнольдса Re=5·105, течія складається з декількох шарів і має наступну стр уктур у: в'язкий шар має товщину 0,0005R, перехідний 0,0025R, логарифмічний - 0,189R, турбулентне ядро - 0,808R. [див. Протодьяконов И.О., Сыщиков Ю.В. Турбулентность в процессах химической технологии. - Л.; Наука, 1983. - 318с.]. Якщо поверхня труби повністю покривається в'язким підшаром, то вона обтікається майже ламінарним потоком, не порушуючи його структури. Таким чином, якщо зазор d між поверхнями дисків становить величину меншу за 0,2 від висоти h виступ у, то цього достатньо для того, щоб кавітація в зазорі не розвивалася. Турбулентне ядро кавітаційного струменя при формуванні та розвитку кавітаційної течії віджимається від стінок до центра паза, а при наближенні до похилої площини потрапляє в область підвищеного тиску і практично повністю гаситься в ламінарному потоці поблизу похилих поверхонь виступів ротора і статора. Ефективність роботи корисної моделі оцінювалась за величиною кавітаційної ерозії ротора гідродинамічного кавітаційного реактора. Як відомо, при будь-яких режимах роботи найбільшу кавітаційну стійкість серед металів мають нержавіючі сталі та алюмінієві бронзи. Однак для того, щоб скоротити строки випробувань, ротор і статор кавітаційного реактора було виготовлено з алюмінієвого сплаву, який має малу кавітаційну стійкість. Досліджуваний кавітаційний реактор мав наступні технічні характеристики: матеріал ротора і статора - дюраль марки Д16Т, діаметр ротора і статора - 300мм, швидкість обертання ротора 1500 і 3000 обертів за хвилину, що відповідає коловій швидкості ротора 23,6м/с і 47,1м/с відповідно. Дані щодо кавітаційної ерозії ротора, виконаного з алюмінієвого сплаву, за необхідності можна перерахувати для нержавіючої сталі з коефіцієнтом 0,083. Таблиця Кут нахилу виступів ротора і статора 90°(прототип) 80° 70° 60° 50° 40° 30° 25° 20° 15° Ерозія ротора, мг/год, при швидкості 23,6м/с 47,1м/с 34 173 32 161 31 143 27 117 23 82 15 31 13 25 12 21 11 21 11 21 Досліджувалась кавітаційна ерозія ротора при обробці води, в залежності від кута нахилу виступів ротора і статора. Вибір ротора для вимірювання величини ерозії зумовлений тим, що він має на один ряд виступів більше, ніж статор, і втрата ваги Різниця температури води ви хід/вхід, °С, при швидкості 23,6м/с 47,1м/с 21 40 21 40 21 40 20 40 20 38 20 37 20 37 19 35 11 16 9 14 у нього відповідно вища. Ефективність генерації гідродинамічних коливань оцінювалася за різницею температури води на виході і вході кавітаційного реактора при фіксованій продуктивності. Результати досліджень представлені в Таблиці. 7 26547 На основі даних, представлених в Таблиці, можна зробити наступні висновки: кавітаційна ерозія ротора зі зменшенням кута нахилу виступів ротора і статора з 90° до 15° зменшується для колової швидкості ротора 23,6м/с з 34мг/г до 11мг/г, для колової швидкості 47,1м/с з 173мг/г до 21мг/г. Ефективність роботи кавітаційного реактора при збільшенні колової швидкості ротора в два рази з 23,6м/с до 47,1м/с, судячи по різниці температур води між виходом і входом, збільшилась в середньому в 1,85-4,9 рази в області зміни нахилу виступів від 90° до 25°. Різниця температури води між виходом і входом кавітаційного реактора зменшується для колової швидкості ротора 23,6м/с з 21°С до 9°С, для колової швидкості ротора 47,1м/с - з 40°С до 14°С. Мінімальна ерозія ротора спостерігається при величині кута нахилу площин виступів ротора і статора 40° і менше як для колової швидкості ротора 23,6м/с, так і для колової швидкості ротора 47,1м/с. 8 Різниця температури води між виходом і входом кавітаційного реактора різко зменшується при кутах нахилу площин виступів ротора і статора 20° і менше. Це означає, що ефективність роботи кавітаційного реактора при таких кута х нахилу площин виступів ротора і статора різко знижується. Таким чином, при куті нахилу виступів ротора і статора 25÷40° і зазорі в місці спряження d£0,2h можливе збільшення колової швидкості ротора до 47,1м/с без різкого зростання кавітаційної ерозії. При цьому ефективність роботи пропонованого реактора при коловій швидкості ротора 47,1м/с підвищується в 1,84÷1,85 рази у порівнянні з коловою швидкістю 23,6м/с, при кутах нахилу профілю виступу 25÷40°. Застосування усієї сукупності суттєви х ознак дозволяє створити ефективний гідродинамічний кавітаційний реактор з високою коловою швидкістю ротора і мінімальною кавітаційною ерозією поверхонь ротора і статора. 9 Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 26547 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601