Пристрій для збурення пневмогідравлічної кавітації

1. Пристрій для збурення пневмогідравлічної кавітації, що містить корпус із завантажувальною, робочою та відвідною камерами, заповненими протічною оброблюваною рідиною, розташовану із можливістю обертання в робочій камері крильчатку з лопатями, що мають гостру передню та тупу задню кромки, який відрізняється тим, що крильчатку з лопатями вільно із можливістю обертання встановлено на розміщеній в робочій камері пус 3 вальною, робочою та відвідною камерами, заповненими протічною оброблюваною рідиною. До корпуса приєднано осьовий насос, вал якого заведено в робочу камеру. На валу насоса жорстко закріплено крильчатку із лопатями, які мають гостру передню та тупу задню кромки [Вітенько Т. М. Гідродинамічна кавітація у масообмінних, хімічних і біологічних процесах: монографія / Т. М. Вітенько. - Тернопіль, в-во ТДТУ ім. І. Пулюя, 2009.224с.(стор. 56, рис. 1.24)]. Тут енергія, необхідна для створення кавітації, підводиться безпосередньо робочим органом, що обертається. При обертанні крильчатки у заповненій підлягаючою обробці рідиною проточній робочій камері на лопатях крильчатки із засмоктуючого боку утворюються газові каверни з фіксованою лінією відриву. В хвостовій частині каверни, в ділянці її замикання, утворюється велика кількість кавітаційних бульбашок (кавітаційне поле), які сплескують в проточній робочій камері, забезпечуючи відповідний вплив на технологічне середовище. Однак, на відміну від ультразвукової кавітації, гідродинамічна характеризується меншою інтенсивністю утворення кавітаційних бульбашок, а отже, і значно нижчою ефективністю. Крім того, як відзначалось, неодмінними складовими пристроїв для збурення гідродинамічної кавітації є рухомі в рідині вібруючі пластини або обертові лопаті, їх приводи рухів та перетворюючі механізми. Потреба у приводі не тільки зумовлює значну енергозатратність гідродинамічного способу збурення кавітації, а і суттєво понижує надійність та довговічність реалізуючого його обладнання. Даному пристрою властива і дуже обмежена спроможність у регулюванні технологічних параметрів гідродинамічної кавітації, оскільки кавітаційний режим в рідині зароджується та існує у вузькому діапазоні тільки певних частот і швидкостей відносних механічних переміщень збурювачів (пластин чи лопатей). Відповідно цим зумовлені і обмеження у регулюванні кінцевої якості готового продукту. В основу корисної моделі поставлено задачу створення пристрою для збурення пневмогідравлічної кавітації, у якому обертовий рух збурюючих кавітацію крильчаток із лопатями забезпечується реактивними струменями стиснутого пульсуючого газу, проникаючого крізь виконані в лопатях отвори. За рахунок цього формується кавітаційне поле підвищеної концентрації кавітаційних бульбашок, завдяки чому збільшується ефективність ініційованих кавітацією хімічних реакцій, в тому числі і водоочисних процесів. Його довговічність та висока надійність повинні забезпечуватись відсутністю механічних приводів та перетворювачів рухів збурюючих кавітацію механізмів. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для збурення пневмогідравлічної кавітації, який містить корпус із завантажувальною, робочою та відвідною камерами, заповненими протічною оброблюваною рідиною, розташовану із можливістю обертання в робочій камері крильчатку з лопатями, що мають гостру передню та тупу задню кромки, згідно з корисною моделлю, крильчатку з лопатями вільно із можливістю обертання встановлено на розміщеній в робочій камері пус 66134 4 тотілій осі з отворами для подачі стиснутого пульсуючого газу, в лопатях вздовж них із виходом до загрібної поверхні виконано радіальні отвори із можливістю проникнення крізь них пульсуючого газу, який при виході в рідину створює реактивні струмені, що надають крильчатці з лопатями обертового руху. Поставлена задача вирішується також тим, що у пристрої для збурення пневмогідравлічної кавітації на розміщеній в робочій камері пустотілій осі з отворами для подачі стиснутого пульсуючого газу крильчатки із лопатями розташовані попарно із можливістю обертання назустріч одна одній, для чого вихідні отвори в лопатях сусідніх крильчаток виконано розвернутими в протилежних напрямках, а віддаль між сусідніми крильчатками встановлюють на подвійній ширині кавітаційного поля, рівній максимальному діаметру лопатей. Це забезпечує створення кавітаційного поля підвищеної концентрації кавітаційних бульбашок, тобто підвищеної інтенсивності та відновлювальної здатності. Поряд з тим, надання обертового руху крильчаткам з лопатями реактивними струменями пульсуючого газу завдяки відсутності механічного приводу обертового руху спрощує і здешевлює конструкцію кавітатора в цілому. Крім того, подача газу, який подається в рідину в робочу зону кавітатора під тиском, що не менш ніж вдвічі перевищує тиск в рідині, з пульсацією, частота якої кратна частоті власних коливань наявних в рідині ядер кавітації, забезпечує не тільки надання обертового руху збурюючим кавітацію лопатям, а і суттєво збільшує кількість кавітаційних бульбашок в рідині, тобто інтенсивність кавітаційного поля. Це відбувається завдяки тому, що крім кавітаційних бульбашок, сформованих обертовими лопатями по аналогії із гідродинамічними кавітаторами, додатковими джерелами зародків кавітаційних бульбашок постають проникаючі в рідину струминки пульсуючого стиснутого газу. Зміною частоти пульсацій та тиску стиснутого газу, що подається в робочу зону кавітатора, регулюють інтенсивність самоутворення зародків кавітації, що надає можливість регулювання в конкретних часових проміжках кількості кавітаційних бульбашок в одиниці об'єму газорідинної суміші, а отже, і інтенсивності хімічних реакцій чи очисних процесів та зумовленої цим якості вихідного готового продукту. Принципова схема пневмогідравлічного кавітатора зображена на фіг. 1, на фіг. 2 відображено фрагмент осі із розміщеною на ній крильчаткою, на фіг. 3 - вид збоку на крильчатку з лопатями. До складу кавітатора входять завантажувальна камера 1 оброблюваної рідини, робоча камера 2, отвір відтоку газу 3, отвір відводу обробленої рідини 4. У робочу камеру 2 заведено пустотілу вісь 5, на якій вільно із можливістю обертання навколо власної геометричної осі встановлено крильчатки 6 із лопатями 7. В місцях встановлення крильчаток 6 на осі 5 виконано радіальні отвори 8, крізь які стиснутий газ під тиском, що не менш ніж вдвічі перевищує тиск в рідині, з пульсацією, частота якої кратна частоті власних коливань наявних в рідині ядер кавітації (наприклад 24-50 Гц), посту 5 пає в кільцеву проточку 9 на маточині крильчатки (фіг. 2). Із цієї кільцевої проточки через радіальні отвори 10 в маточині крильчатки стиснутий газ поступає в поздовжні отвори 11 лопатей, з яких має можливість проникати в відвідні отвори 12, із подальшим виходом в потік рідини (фіг. 3). Для зменшення втрат газу маточина крильчатки ущільнена в проточці 13 осі 5 ущільнювачами 14. Робота кавітатора здійснюється наступним чином. При одночасній подачі в робочу камеру 2 кавітатора оброблюваної рідини та в пустотілу вісь 5 пульсуючого стиснутого газу, газ крізь отвори 8 в осі проникає в кільцеву проточку 9 маточини крильчатки 6. Із кільцевої проточки через радіальні отвори 10 газ із крильчатки проникає в поздовжні отвори 11 лопатей, звідки пульсуючими струменями крізь вихідні отвори 12 проникає в рідину з боку загрібної частини лопатей крильчатки 6. При виході з отвору 12 кожна пульсуюча струминка ударно взаємодіє із рідиною, надаючи лопаті певний імпульс сили на реактивне переміщення в рідині. Оскільки реактивні пульсуючі імпульси витоку газу однонаправлені для крильчатки 6 в цілому, вона набуває направленого обертового руху на осі 5 в напрямку, протилежному реактивним пульсуючим струминкам виходу газу. Частота обертання крильчатки, при цьому, в основному залежатиме від тиску та частоти пульсацій газу, в'язкості оброблюваного рідинного середовища та сил опору переміщенню крильчатки по кільцевій проточці осі 5. Співпадіння частоти власних коливань ядер кавітації із частотою пульсацій газу збурює явище резонансу, яке супроводжується миттєвим зародженням, розширенням та подальшим сплескуванням кавітаційних бульбашок. Змінюючи тиск та частоту пульсацій газу, що надходить у вісь 5, регулюють частоту обертання крильчатки, досягаючи так званої "критичної частоти обертання", характерною особливістю якої є стрибкоподібне ("пікове") збільшення кількості самосформованих в рідині кавітаційних бульбашок. За даними лабораторних досліджень для очищення забрудненої біологічними мікроорганізмами води ця "критична" частота обертання, залежно від розмірів крильчатки, знаходиться в межах 33-50 Гц. Поряд із самозбуренням в рідині зародження кавітаційних бульбашок переміщенням в її потоці лопатей, зародками кавітаційних бульбашок постає і кожна потрапляюча в рідину із високою частотою струминка стиснутого газу. Саме завдяки пульсації із струминок формуються в рідині окремі мікрокаверни, які завдяки поверхневому натягу рідини збільшуються в об'ємі і сплескують із вивільненням енергії у вигляді сферичного ударного імпульсу, створюючи тим самим додаткове кавітаційне поле. Таким чином, у робочій камері самоформується два різновиди кавітаційних полів - збурених переміщенням в ній лопатей крильчатки (по аналогії із гідродинамічними кавітаторами) та сформоване струминками реактивних струменів пульсуючого газу, що потрапляють в рідину крізь 66134 6 отвори в лопатях. Як наслідок - суттєво збільшується чисельність кавітаційних бульбашок в одиниці об'єму рідини, порівняно із гідродинамічними кавітаторами, зростає інтенсивність хімічних реакцій та очисних процесів. Після проходження крізь кавітаційне поле робочої ділянки кавітатора очищена газорідинна суміш під дією напору обертової крильчатки та тиску газу далі переміщається по кавітатору. При цьому через газовідвідний отвір 3 із рідини виділяється основна частина розчиненого в ній робочого газу, вуглекислого газу СО2, як продукту руйнування мікроорганізмів, та повітря, а очищена рідина витікає із кавітатора через відвідний отвір 4. Із метою інтенсифікації утворення в рідині кавітаційних бульбашок, обертові крильчатки з лопатями можуть розташовувати паралельно на спільній пустотілій осі, крізь яку до лопатей подають газ із пульсуючим тиском, не менш ніж вдвічі більшим за тиск у рідині. У цьому випадку розміщені поряд крильчатки завдяки розвороту лопатей вихідними для газу отворами назустріч, обертають у протилежних напрямах, а віддаль між сусідніми крильчатками встановлюють на подвійній ширині кавітаційного поля, рівній максимальному діаметру лопатей. Цим досягається інтенсифікація самозбурення кількості кавітаційних бульбашок, в відповідно, і хімічних реакцій та водоочисних процесів. Різновид робочого газу тут, як правило, вибирають залежно від характеру технологічних вимог. Так для знезараження води від бактерій різновиду Pseudomona достатнє застосовування вуглекислого газу СО2, а від бактерій Sarcina - доречно застосовувати інертний газ аргон Аr. Ступінь очищення води в цих випадках сягає 75-80 %. Найкращого результату (до 90 %) очищення води від дріжджів Saccharomyces із використанням запропонованого кавітатора досягається при використанні кисню О2 та озону О3. Аналогічно підходить до вибору різновиду газу і при використанні даного кавітатора для ініціювання та активації хімічних реакцій в технологічних процесах очищення рідин та інших процесах. Перевагами даного пристрою для збурення пневмогідравлічної кавітації в рідинах порівняно із відомими є: - висока продуктивність, придатність для обробки значних обсягів рідин; - завдяки відсутності в запропонованому кавітаторі енерговитратного електромагнітного перетворюючого обладнання, яке використовують при реалізації ультразвукових методів, чи енергоспоживаючих двигунів і редукторів, притаманних методам гідродинамічної кавітації, він не тільки надійніший та довговічніший, а і значно енергоощадніший, а отже, і економічніший; - незначна собівартість реалізації технологій із використанням запропонованого кавітатора завдяки можливості рекомбінації збурюючого кавітацію газу та замкнутості технологічного циклу його багаторазового використання. 7 66134 8 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 66134 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601