Спосіб кавітаційної обробки технологічного потоку та кавітаційний реактор для його здійснення

1. Спосіб кавітаційної обробки технологічного потоку шляхом створення в потоці рідини поля кавітаційних пузирчиків під впливом гідродинамічної кавітації, який включає в себе обтікання кавітатора потоком рідини, утворення в сліді за ним каверни, природного розпаду каверни на парогазові порожнечі та кавітаційні пузирчики і замикання їх у потоці в зоні підвищеного тиску, який відрізняється тим, що додатково виконуються операції пульсаційної подачі газової фази в каверну та нагнітальний технологічний потік, відсмоктування парогазу з каверни шляхом застосовування пульверизаційного ефекту, калібрування кавітаційних та газових пузирчиків при русі парогазу по калібруючим каналам, утворення суміші каліброваних пузирчиків з основним технологічним потоком, генерація ударних хвиль шляхом пропускання суміші рідини та газу через сопла Лаваля, подрібнення кавітаційних каверн шляхом вібрацій кавітаційної системи та пульсаціями нагнітального технологічного потоку, змикання кавітаційних пузирчиків в потоці в зоні підвищеного тиску шляхом накладення гідроударів на вихідний потік, створення флотаційного ефекту з'єднання часток суміші технологічного потоку з кавітаційними пузирчиками при багаторазовому розширенні та стисненні потоку. 2. Кавітаційний реактор, який складається з циліндричного корпусу з патрубками нагнітання та відводу те хнологічного потоку та встановленого коаксіально корпусу кавітатора, що виконаний у вигляді зрізаного конусу, який відрізняється тим, що додатково має предкавітатор, що встановлений по A (54) СПОСІБ КАВІТАЦІЙНОЇ ОБРОБКИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПОТОКУ ТА КАВІТАЦІЙНИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ЙОГО ЗДІЙСНЕННЯ 35841 вельних матеріалів та очищенні стічних вод м'ясокомбінатів. Відомий спосіб кавітаційної обробки технологічної суміші на режимі початкової кавітації, коли кавітаційні пузирчики утворюються в результаті швидкісного обертання мішалки в ємкості з рідиною [1]. Недоліком цього способу є великі питомі витрати на змішування, низька ефективність способу, наявність зон гідродинамічного застою та кавітаційної ерозії змішуючого пристрою. Відомий спосіб кавітаційної обробки рідини в технологічному потоці, що р ухається з швидкістю 11-20 м/с, який включає в себе операції створення кавітаційної каверни за кавітатором, природний розпад кавітаційної каверни на різномірні кавітаційні пузирчики та парогазові порожнечі, створення зони підвищеного тиску, шляхом розширення вихідного патрубка відводу рідини, де відбувається змикання якоїсь частини кавітаційних пузирчиків [2]. Недоліком цього способу є низька ефективність, яка зумовлена великим розкиданням розмірів кавітаційних пузирчиків і великих порожнеч, які утворюються при розпаді хвостової частки каверни, зносяться потоком і характеризуються низьким кавітаційним та флотаційним ефектом. Це значно зменшує енергетичну е фективність способу в цілому та потребує багаторазової рециркуляції технологічної рідини для досягнення потрібного технологічного ефекту. Відомі конструкції кавітаційних апаратів [3, 4, 5] реалізують один і той же спосіб створення кавітаційної каверни в потоці рідини, коли вона обтікає будь-яку перепону (конус, кулю, циліндр, крила лопаті і таке інше) з подальшим природним розпадом каверни на різномірні кавітаційні пузирчики та великі парогазові порожнечі, що відриваються від хвостової частки кавітаційної каверни. При цьому велика кількість парогазу не використовується для інтенсифікації кавітаційної обробки рідкого потоку у зв'язку з винесенням таких великих порожнеч потоком без кавітаційного змикання. Відомий гідродинамічний кавітаційний реактор для розмолу волокнистої маси, який складається з проточної камери з встановленими в ній навігаторами, що виконані у вигляді зрізаних конусів [З]. Відомий кавітаційний реактор, який має проточну циліндричну камеру з встановленим в ній квітатором і патрубок нагнічення реагенту [4]. Найбільш близьким до винаходу є гідродинамічний кавітаційний реактор, який має циліндричний корпус з патрубками нагнічення та відводу те хнологічного потоку та встановленим в ньому коаксіально кавітатором, який виконаний у вигляді зрізаного конусу [5]. Недоліком цього реактора є низька ефективність, яка зумовлена великим розкиданням розмірів кавітаційних пузирчиків і великих парогазових порожнеч, які утворюються при розпаді хвостової частки каверни та притаманним їм низьким кавітаційним ефектом дії. В основу винаходу була поставлена задача створення високоефективного способу обробки технологічного потоку рідини, який би запобігав утворенню крупних парогазових порожнеч, та сприяв би утворенню рівнокаліброваних дрібних за розміром газових та кавітаційних пузирчиків, які мають високу ефективність кумулятивної дії на технологічні потоки рідини. Це особливо важливо для процесів змішування рідинного технологічного потоку з газовою фазою при очищенні стічних вод, так як кавітаційна каверна, що вентилюється газовою фазою, характеризується безперервним виносом газової фази та кавітаційних пузирчиків по вихрови х шн урах [6]. Така задача вирішується шляхом здійснення послідовно по потоку операцій утворення кавітаційної каверни, згідно з винаходом, пульсаційної подачі газової фази в каверну та в нагнітальний технологічний потік, відсмоктуванні парогазу з каверни шляхом застосування пульверизаційного ефекту, калібрування кавітаційних та газових пузирчиків при русі парогазу по калібровочних каналах, утворення суміші каліброваних пузирчиків з основним технологічним потоком, генерація ударних хвиль шляхом пропускання суміші рідини та газу через сопла Лаваля, подрібнення кавітаційних каверн шляхом вібрацій кавітаційної системи та пульсаціями нагнітального технологічного потоку, змикання кавітаційних пузирчиків в потоці в зоні підвищеного тиску шляхом накладання гідроударів на вихідний потік, створення флотаційного ефекту з'єднання часток суміші технологічного потоку з кавітаційними пузирчиками при багаторазовому розширенні та стисненні потоку. Виконання цих додаткових операцій, згідно з винаходом, дозволяє зменшити кратність рециркуляції рідини через реактор і досягти потрібного технологічного ефекту кавітаційної обробки без збільшення питомих енерговитрат. Поставлена ціль досягається в кавітаційному реакторі шляхом вдосконалення відомої конструкції [5]. В кавітаційний реактор додатково вводиться предкавітатор, який встановлений по ходу потоку перед кавітатором. При цьому в тілі основного кавітатора виконані осьовий та нахилені по потоку радіальні канали, що спілкуються, причому вихід з них направлений в кільцевий зазор між кавітатором та корпусом. Кавітатор має, крім конусної частки, ще й циліндричну. За кавітатором розташовані сопла Лаваля. Завдяки калібруванню кавітаційних пузирчиків запобігаєтьоя утворення та відрив від хвосто вої частки каверни малоефективних крупних парогазових порожнеч, а здійснюється рух каліброваної суміші кавітаційних та газових п узирчиків з надзвуковою швидкістю в соплах Лаваля. Завдяки дії ударних хвиль, що утворюються при проходженні двофазної суміші в соплах Лаваля, підсилюється кумулятивний ефект від змикання кавітаційних пузирчиків, що приводить до підвищення ступеню диспергованості технологічного потоку та підвищенню газонасиченості рідини. По осі кавітаційного реактора розташована центральна трубка, один кінець якої з'єднаний з входом радіальних каналів кавітатора, а другий з'єднаний з торцем предкавітатора, який має вигляд зубчастого вінця. Предкавітатор має осьовий та радіальні отвори, вхід яких зв'язаний з пульсатором через отвори в стрижні та полій розетці. Виходи радіальних отворів виходять на торець предкавітатора. Кавітатор та предкавітатор розта 2 35841 шовані на стрижнях у ступицях центральних розеток з можливістю поздовжніх коливань, які розташовані між фланцями циліндричного корпусу та патрубками нагнітання та відводу технологічного потоку. Виходи радіальних каналів на циліндричній частині кавітатора прикриває кавітуючий парасольковидний щиток, що закріплений на ній. Він запобігає замкненню виходів каналів від удару струменя, що утворюється за предкавітатором. Вихідна частина кавітатора має вигляд зрізаного конусу, що звернений своєю вершиною в сторону вихідного патрубка. Сопла Лаваля утворені декількома кільцями, які мають вигляд рівнокутового трикутника в осьовому перерізі і закріплені на отрижні. На вході в реактор встановлений пульсатор, що пульсаційно насичує те хнологічний потік та каверну за предкавітатором порціями газу чи повітря, та вібратор, що створює осьові коливання кавітаційної системи на стрижнях, які вільно посаджені в ступицях центральних розеток. Дія вібрацій та пульсацій приводить до примусового розпаду каверн, що утворюються за кавітатором та предкавітатором, надають їм суттєво нестаціонарний характер. Пульсації газовою фазою каверни, що утворюється за предкавітатором, та нагнітального технологічного потоку від пульсатора створюють суміш різної щільності, яка насичена маленькими газовими та парогазовими пузирчиками, які полегшують створення кавітаційної каверни за предкавітатором, та періодично руйнують її поверхню. На виході з реактора за вихідним патрубком встановлений генератор гідроударів, який створює послідовну дію високого тиску, яка в десятки разів вища, ніж в відомих пристроях. Це дає змогу досягти майже 100% змикання кавітаційних пузирчиків та підвищує подальший флотаційний ефект при очищенні стічних вод. На фігурі зображений кавітаційний реактор для реалізації способу кавітаційної обробки технологічного потоку. Кавітаційний реактор складається з циліндричного корпусу 1, патрубку нагнітання 2 та патрубку відводу те хнологічного потоку 3. Патрубок відводу 3 має дифузорну камеру, яка виконана у вигляді конічного розтрубу, який розширюється. По центру корпусу 1 закріплений на стріжні 4 кавітатор 5, а на порожнистому стрижні 6 предкавітатор 7. Стрижень 4 розташований у ступиці 8 розетки 9, а порожнистий стрижень 6 у ступиці 10 розетки 11. Розетка 11 має отвори, які з'єднані з пульсатором 12. Вона закріплена між фланцями корпусу 1 і нагнітальним патрубком 2. Розетка 9 закріплена між фланцями корпусу 1 і патрубком відводу потоку 3. Кавітатор 5 та предкавітатор 7 виконані у вигляді зрізаних конусів, що зорієнтовані своїми вершинами назустріч потоку. Кавітатор 5 та предкавітатор 7 мають отвори по центру, які з’єднані між собою трубкою 13, що має отвори 14 в боковій стінці, і які розташовані безпосередньо перед торцем предкавітатора 7. В тілі його є осьовий та радіальні канали 15, що з'єднують порожнистий стрижень 6 з торцем предкавітатора 7, основа якого виконана як зубчастий вінець 16. Ступиця 10 має кільцевий паз для проходження газу в порожнистий стрижень 6 через отвір в розетці 11 від пульсатора 12. Конічна поверхня кавітатора 5 по ходу потоку переходить в циліндричну. На циліндричній поверхні кавітатора 5 є виходи радіальних каналів 14, які з’єднані вхідним кінцем з центральним отвором в кавітаторі 5 і трубкою 13. Після конічної поверхні кавітатора 5 на початку циліндричної частки закріплений парасольковидний кавітуючий щиток 17. Циліндрична поверхня кавітатора 5 закінчується по ходу потоку конічною поверхнею, яка звернена вершиною до патрубка відводу потоку 3. За кавітатором 5 по ходу потоку на стрижні 4, який вільно входить в ступицю 8 розетки 9, насаджені кільця 18, які мають вигляд трикутника в перерізі з кутом 60° ± 10°. Їх може бути 2 ¸ 5. В осьовому перерізі кільця 18 утворюють з корпусом 1 сопла Лаваля, які забезпечують послідовне раптове звуження та розширення технологічного потоку. Дифузорний патрубок відводу потоку 3 закінчується на виході циліндричною камерою 19. В нагнітальному патрубку 2 або поза ним, розташовані пульсатор 12 і вібратор 20. В циліндричній камері 19, на виході з кавітаційного реактора, розташований генератор гідроударів 21. Кавітаційний реактор працює наступним чином. Технологічний потік під тиском подається через вхідний патрубок 2 до корпусу 1, насичується невеликими порціями газу від пульсатора 12 та послідовно обтікає предкавітатор 7 та кавітатор 5. При обтіканні предкавітатора 7 за ним утворюється кавітаційна каверна, при цьому зубчастий вінець 16 на торці предкавітатора 7 розпилює технологічний потік газорідинної суміші та утворює краплинний туман на границях цієї каверни. В каверну від п ульсатора 12 подаються порції газу під різним тиском через отвори у вхідному патрубку 2 і розетці 11, паз в ступиці 10, порожнистий стріжень 6 та осьовий і радіальні отвори 15. Каверна отримує нестаціонарні коливання, що сприяють її подрібленню. За кавітатором 5 утворюється дві каверни. Одна з них утворена парасольковидним кавітуючим щитком 17, який прикриває виходи радіальних каналів 14, а інша утворюється за торцевою конічною поверхнею кавітатора 5. У каверні, що утворена за предкавітатором 7, тиск РК1 буде більший ніж в каверні, що утворена за парасольковидним кавітуючим щитком 18, РК2. Це сприяє самозасмоктуванню парогазу з каверни за предкавітатором 7 через перфоровану отворами 14 частку тр убки 13 до каліброваних радіальних каналів 14 в зазор між кавітатором 5 та корпусом 1. Розмір цього зазору (ступінь стиснення потоку) d > 0,75 (d = dK/D, dK - діаметр кавітатора, D діаметр корпусу 1). Розмір виступу параcольковидного кавітуючого щитка 17 має бути не більше діаметра вихідного радіального калібруючого каналу 14. Ступінь стиснення предкавітатора 7 d = 0,65 ¸ 0,7. Відстань між предкавітатором 7 та кавітатором 5 становить L = (5 ¸ 6) D. Кавітаційні пузирчики, які виходятьз радіальних каналів 14, калібровані, вони захоплюються технологічним потоком суміші і потрапляють в кільцеві сопла, що утворені послідовно розташованими по потоку кільцями 18 та корпусом 1. 3 35841 Технологічний потік суміші підлягає дії раптового звуження та розширення і отримує надзвукову швидкість протікання. Утворюється система ударних хвиль, які підсилюють дію від змикання кавітаційних пузирчиків. Ударні хвилі виникають у потоці, коли досягається надзвукова швидкість при числах Маха Ма > 1. Ма = Vпот/Vзв > 1, дe V пот - швидкість потоку, Vзв - швидкість звуку в рідині, насиченій кавітаційними пузирчиками. При атмосферному тиску в зазорі Р = 1 ата, швидкість звуку при повітряутриманні j = 0,5 складе: Vзв = ( ) Pr ж 1 - j j = ( вані в ступицях 10 та 8 центральних розеток 9 і 11 з можливістю коливання. Кавітаційні каверни, які утворені за кавітатором та предкавітатором, інтенсивно примусово розпадаються, газова фаза змішується з технологічним потоком і додатково утворюються кавітаційні пузирчики. Пульсатор 12, що встановлений в нагнітальному патрубку 2 реактора або поза ним, викликає примусові коливання каверни, що утворена за предкавітатором 7, шляхом пульсаційного нагнітання деякої порції повітря чи газу або, наприклад, шляхом обертання перфорованого диска з кутовою швидкістю 0,5 1/с. Завдяки цьому, генерується в потоці на вході до циліндричної камери 1 суміш газу і рідини різної щільності з маленькими газовими і парогазовими пузирчиками, які полегшують створення кавітаційної каверни за предкавітатором та надають їй суттєво нестаціонарний характер. Це особливо важливо для процесів змішування рідинного технологічного потоку з газовою фазою, так як кавітаційна каверна, що вентилюється газом, характеризується безперервним виносом газової фази та кавітаційних пузирчиків по вихрових шн урах. На виході реактора встановлений генератор гідроударів 21. Розширення патрубка відводу 3 до розмірів циліндричного каналу 19 створює незначне підвищення статичного тиску і багато кавітаційних пузирчикІв зноситься безрезультатно по потоку. Генератор гідроударів 21 створює такий тиск на виході з реактора, який в десятки разів вищий, і дає змогу досягти майже 100% змикання газових та кавітаційних пузирчиків. Генератор гідроударів 21 являє собою, наприклад, перериватель потоку з миттєвим чередуванням перекриття та плавним відкриттям каналу з газорідинним потоком. Він може представляти собою також регульований клапан вентиля чи засувки, шток якої пересувається по капіру, що має провал чи розрив, і викликає швидке закриття клапана та плавне відкриття. Використання вищеназваних нових ознак у пристрої дає можливість підвищити ефективність роботи реактора в 10 разів без суттєвого підвищення енерговитрат. )(1 - 0, 5)0,5 = 20м / с, 1000 / 1000 / 9 , 81 у розрядженій атмосфері P = 0,05 ата, швидкість звуку складе: Vзв = ( ) 500 / 100 1 - 0 , 5 0 , 5 = 4 , 5 м / с Таким чином, швидкості технологічного потоку в зазорі сягають Vзв = 4.5 ¸ 20 м/с, а швидкість руху технологічного потоку на вході в реактор може бути знижена до 1 - 5 м/с. Це дозволяє знизити питомі енерговитрати на кавітаційну обробку технолопчного потоку. Для визначення ступіню стиснення потоку технологічної суміші між корпусом 1 та кільцями 18 використовуємо рівняння нерозривності: Vв х D 2 ( =V D 2 · dк 2 ), звідки d =dк / D = 1 - 5 / 20 = 0 ,86. Діаметр кіпець 12 становить dК = 0,86 D,де D внутрішній діаметр корпусу 1. Вібратор 20, що з'єднаний з стрижнями 4 та 6,, на яких закріплені предкавітатор 7 та кавітатор 5, створює періодичні коливання вздовж продольної осі реактора всієї кавітаційної системи. Такі коливання можливі завдяки тому, що стрижні розташо 4 35841 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5